FR2645356A1

FR2645356A1 - DEFLECTION CELL FOR POWER LASER BEAMS

Info

Publication number: FR2645356A1
Application number: FR8904259A
Authority: FR
Inventors: Jean Luc Ayral; Jean Pierre Huignard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1990-10-05
Anticipated expiration: 2009-03-31
Also published as: FR2645356B1; EP0390663B1; JPH02285328A; US5045719A; DE69013384D1; DE69013384T2; EP0390663A1

Abstract

La présente invention concerne les cellules de déflexion pour faisceaux laser. La cellule de déflexion 1 selon l'invention se caractérise essentiellement par le fait qu'elle comporte, des moyens 6, comme un déflecteur du type " acousto-optique ", pour dévier un faisceau laser incident 2 de faible puissance, et des moyens 7 pour faire coopérer, dans un milieu non-linéaire 11 de diffusion Brillouin comme un gaz tel que du Méthane CH4 , du Xénon, de l'Hexafluorure de Soufre SF6 , ou un liquide tel que du Sulfure de Carbone CS2 , de l'Acétone, le faisceau incident de faible puissance dévié 9, avec un faisceau laser de pompe 10 de forte puissance formant avec le faisceau dévié 9 un angle " theta " non nul. Application, notamment, à la télémétrie et au guidage d'engins pour lesquels le faisceau laser utilisé comme référence doit pouvoir subir des changements d'orientation rapides et dans un champ angulaire important.The present invention relates to deflection cells for laser beams. The deflection cell 1 according to the invention is essentially characterized by the fact that it comprises means 6, such as a deflector of the "acousto-optical" type, for deflecting an incident laser beam 2 of low power, and means 7 to make cooperate, in a non-linear Brillouin diffusion medium 11 such as a gas such as methane CH4, xenon, sulfur hexafluoride SF6, or a liquid such as carbon sulphide CS2, acetone, the deflected low-power incident beam 9, with a high-power pump laser beam 10 forming with the deflected beam 9 a non-zero “theta” angle. Application, in particular, to telemetry and to the guidance of vehicles for which the laser beam used as a reference must be able to undergo rapid changes of orientation and in a large angular field.

Description

Cellule de déflexion pour faisceaux laser de puissance La présenteDeflection cell for laser power beams This

invention concerne les cellules de déflexion pour faisceaux laser, essentiellement pour faisceaux laser de puissance, c'est-à-dire les moyens commandables qui permettent de dévier ces The invention relates to deflection cells for laser beams, essentially for power laser beams, that is to say, the controllable means which make it possible to deflect these

faisceaux d'un angle donné.beams from a given angle.

Dans de nombreux domaines, par exemple la télémétrie et le guidage d'engins, on utilise, comme élément de référence, un faisceau laser dont la cohérence aussi bien temporelle que spatiale permet de définir un "trait fin et immatériel" sur un trajet relativement important. En effet, par exemple pour le guidage d'engins terrestres sur des distances de l'ordre de quelques centaines de mètres, on utilise par exemple un générateur laser du type "hélium-néon" de quelques milliwatts de puissance. Le faisceau défini par ce type de générateur est suffisamment fin pour être utilisé comme référence pour guider ou télémétrer, et le générateur lui-même est suffisamment petit pour permettre de r&soudre facilement le problème posé par l'obligation d'effectuer des changements d'orientation du faisceau émis, parfois pour des valeurs d'angles importantes. Pour cela, il suffit, par exemple, de monter le générateur laser sur une platine apte à être déplacée au moyen de moteurs suivant deux ou trois axes. Cette mise en oeuvre donne bien entendu le résultat souhaité, mais à condition que la vitesse de déplacement angulaire nécessaire ne soit pas très importante. Notamment pour le guidage d'engins terrestres devant se déplacer rapidement, il a été réalisé des cellules de déflexion qui sont disposées sur le faisceau laser lui-même, en sortie du générateur laser, et commandées, par exemple électriquement, comme les déflecteurs statiques acousto-optiques bien connus des hommes de l'art. L'avantage de ce type de déflecteurs est qu'ils répondent très rapidement aux ordres de déflexion qui leur sont donnés. Ils présentent par contre un inconvénient majeur, celui de ne pouvoir dévier que des faisceaux laser de faible puissance. En effet, dans le cas de la déviation de faisceaux de puissance, les déflecteurs sont très rapidement détériorés par le faisceau laser lui-même et, en plus, leur efficacité décroft lorsque l'angle de déviation augmente. En In many fields, such as telemetry and machine guidance, a laser beam is used as a reference element, whose temporal and spatial coherence allows the definition of a "fine and intangible line" over a relatively important path. . Indeed, for example for guiding land vehicles over distances of the order of a few hundred meters, using for example a laser generator of the "helium-neon" type of a few milliwatts of power. The beam defined by this type of generator is sufficiently fine to be used as a reference for guiding or telemetry, and the generator itself is small enough to easily solve the problem posed by the requirement to make orientation changes. emitted beam, sometimes for large angle values. For this, it is sufficient, for example, to mount the laser generator on a platen adapted to be moved by means of motors along two or three axes. This implementation of course gives the desired result, but provided that the required angular displacement speed is not very important. In particular for guiding terrestrial machines that must move rapidly, deflection cells have been made which are arranged on the laser beam itself, at the output of the laser generator, and controlled, for example electrically, as the acousto static deflectors. -optics well known to those skilled in the art. The advantage of this type of deflectors is that they respond very quickly to the deflection orders given to them. They have a major disadvantage, that of being able to deflect only low power laser beams. Indeed, in the case of the deviation of power beams, the deflectors are very quickly deteriorated by the laser beam itself and, in addition, their efficiency decreases when the deflection angle increases. In

particulier, la puissance du faisceau dévié diminue. In particular, the power of the deviated beam decreases.

La présente invention a pour but de réaliser une cellule de déflexion pour faisceaux laser de haute puissance, qui permette d'obtenir des déviations de ces faisceaux suivant un débattement angulaire important, et de conserver leurs qualités optiques, c'est-à-dire la puissance, la cohérence et la divergence, qu'ils ont The object of the present invention is to provide a deflection cell for high power laser beams, which makes it possible to obtain deviations of these beams at a large angular displacement, and to preserve their optical qualities, that is to say the power, coherence and divergence, that they have

en sortie du générateur laser.at the output of the laser generator.

Plus précisément, la présente invention a pour objet une cellule de déflexion pour faisceau laser, caractérisée par le fait qu'elle comporte: des moyens pour dévier un faisceau laser incident de faible puissance, et des moyens pour faire coopérer, dans un milieu non-linéaire de More specifically, the subject of the present invention is a deflection cell for a laser beam, characterized in that it comprises: means for deflecting a low power incident laser beam, and means for cooperating, in a non-polar medium. linear of

diffusion Brillouin, le faisceau incident de faible puissance dévié, - Brillouin scattering, the incident beam of weak power deviated, -

avec un faisceau laser de pompe de forte puissance formant avec ledit with a high power pump laser beam forming with said

faisceau dévié un angle non nul.deviated beam a non-zero angle.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente Other features and benefits of this

invention apparaltront au cours de la description suivante donnée en invention will appear in the following description given in

regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels: Les figures 1 et 2 représentent un mode de réalisation d'une cellule déflectrice selon l'invention, respectivement dans deux exemples d'application à la déflexion d'un faisceau laser de forte puissance. En revenant plus particulièrement à la figure 1, celle-ci représente une cellule 1 selon l'invention, apte à recevoir un faisceau laser incident 2 de faible puissance émis par un générateur laser 3 dit "pilote". Le faisceau incident 2 est dirigé vers la fenêtre d'entrée 4 de la cellule au moyen, par exemple, de miroirs de FIGS. 1 and 2 show an embodiment of a baffle cell according to the invention, respectively in two examples of application to the deflection of a laser beam. high power. Returning more particularly to Figure 1, it represents a cell 1 according to the invention, adapted to receive a low power incident laser beam 2 emitted by a laser generator 3 called "pilot". The incident beam 2 is directed towards the input window 4 of the cell by means of, for example, mirrors of

renvoi du type "i réflexion totale" 5. reference of the type "i total reflection" 5.

La cellule comprend des moyens 6 pour dévier le faisceau laser incident, i la commande et dans un angle donné" ". Ces moyens pour dévier peuvent être constitués par un déflecteur du type acousto-optique" connu en lui- même et très schématiquement constitué par un cristal à base de Niobate de Lithium (LiNbO3) ou d'Oxyde Tellure (TeO2) sur lequel sont appliquées des électrodes The cell comprises means 6 for deflecting the incident laser beam, the control and at a given angle "". These means for deflecting can be constituted by a baffle of the acousto-optical type known in itself and very schematically constituted by a crystal based on lithium Niobate (LiNbO3) or tellurium oxide (TeO2) on which are applied electrodes

conductrices alimentées par des générateurs électriques haute tension. conductive powered by high voltage electrical generators.

Ce type de déflecteur connu en lui-même ne sera pas plus amplement This type of deflector known in itself will not be more amply

décrit ici.described here.

La cellule de déflexion comporte en outre des moyens 7 pour faire coopérer le faisceau dévié 9, en sortie 8 du déflecteur 6, avec un faisceau de pompe 10 de haute puissance faisant avec le faisceau dévié 9 un angle non nul "O", cette interaction étant effectuée dans un milieu 11 non linéaire permettant la génération, par exemple, d'une diffusion Brillouin stimulée. Ce milieu non linéaire 11 peut être constitué d'un gaz tel que du Méthane (CH4), du Xénon, de l'Hexafluorure de Soufre (SF), ou d'un liquide tel que du Sulfure de Carbone (CS2), de l'Acétone, etc. contenu dans une enveloppe étanche 27 comportant, sur les chemins optiques possibles des faisceaux dévié 9 et de pompe 10, deux fenêtres 28, 29 optiquement transparentes aux longueurs d'onde des deux faisceaux. Lorsque les deux faisceaux lasers sont dans le domaine de la lumière visible, ces The deflection cell further comprises means 7 for cooperating the deflected beam 9 at the outlet 8 of the deflector 6 with a high power pump beam 10 making with the deflected beam 9 a non-zero angle "O", this interaction being performed in a non-linear medium 11 allowing the generation, for example, of stimulated Brillouin scattering. This nonlinear medium 11 may consist of a gas such as methane (CH4), xenon, sulfur hexafluoride (SF) or a liquid such as carbon disulfide (CS2 Acetone, etc. contained in a sealed envelope 27 comprising, on the possible optical paths deflected beams 9 and pump 10, two windows 28, 29 optically transparent to the wavelengths of the two beams. When the two laser beams are in the visible light domain, these

fenêtres optiques sont, par exemple en verre. optical windows are, for example glass.

Dans l'exemple d'application illustré sur la figure 1, le faisceau de pompe 10 est fourni par un amplificateur laser 12 dit "à double passage", et pour lequel le faisceau laser à amplifier est In the example of application illustrated in FIG. 1, the pump beam 10 is provided by a laser amplifier 12 called "double-pass", and for which the laser beam to be amplified is

celui émis par le générateur laser pilote 3. that emitted by the pilot laser generator 3.

Dans cette configuration, le laser pilote 3 est couplé à In this configuration, the pilot laser 3 is coupled to

l'entrée de l'amplificateur 12 par une lame 30, dans ce cas semi- the input of the amplifier 12 by a blade 30, in this case semi-

réfléchissante, permettant de dévier une première partie 2 du faisceau émis par le laser pilote 3 et de laisser passer une seconde partie 16 du faisceau qui est envoyée sur la fenêtre d'entrée de l'amplificateur 12 comportant notamment un milieu amplificateur laser 18. Ce milieu permet, de façon connue, d'augmenter par amplification stimulée l'énergie du faisceau incident 16. Le faisceau ayant traversé une première fois le milieu 18, traverse une lame quart d'onde 19 qui provoque une rotation de la polarisation du faisceau. A la sortie de cette lame quart d'onde, le faisceau se réfléchit sur un miroir 31 classique ou i pseudo conjugaison de phase, pour être renvoyé dans le milieu amplificateur laser 18 après avoir i nouveau traversé la lame reflective, allowing to deflect a first portion 2 of the beam emitted by the pilot laser 3 and to pass a second portion 16 of the beam which is sent to the input window of the amplifier 12 including a laser amplifier medium 18. This The medium makes it possible, in known manner, to increase the energy of the incident beam 16 by stimulated amplification. The beam having passed through the medium 18 for the first time passes through a quarter-wave plate 19 which causes a rotation of the polarization of the beam. At the output of this quarter-wave plate, the beam is reflected on a conventional mirror 31 or pseudo phase conjugation, to be returned to the laser amplifier medium 18 after having crossed again the blade

quart d'onde 19.quarter wave 19.

Le faisceau obtenu à la sortie 33 du milieu amplificateur 18 est dévié par un séparateur de polarisation 20 qui donne naissance au The beam obtained at the output 33 of the amplifying medium 18 is deflected by a polarization splitter 20 which gives rise to the

faisceau de pompe 10 défini précédemment. pump beam 10 defined above.

Ce faisceau est dirigé, notamment par des miroirs à réflexion totale 32, vers la fenêtre de sortie 29 de l'enveloppe 11 pour pouvoir coopérer avec le faisceau 9 obtenu à la sortie 8 du déflecteur This beam is directed, in particular by total reflection mirrors 32, to the exit window 29 of the envelope 11 in order to cooperate with the beam 9 obtained at the outlet 8 of the deflector

commandable 6.controllable 6.

Cette configuration permet de transférer l'énergie du faisceau de pompe 10 vers le faisceau pilote 2, à condition cependant que ces faisceaux et la géométrie d'interaction remplissent les conditions de densité d'énergie permettant de dépasser le seuil de l'effet Brillouin. On peut ainsi obtenir une amplification du faisceau pilote de plusieurs dizaines de dB, si les fréquences des deux faisceaux sont décalées l'une par rapport à l'autre d'une quantité intrinsèque au milieu d'interaction, de l'ordre de quelques centaines de MHz pour un milieu gazeux et de quelques GHz pour un milieu liquide. Or, ce décalage entre les fréquences des deux faisceaux est réalisé par le décalage Doppler induit sur le faisceau en sortie du modulateur acousto-optique, ce qui constitue l'un des avantages de la présente invention. Un autre avantage essentiel du dispositif de déflexion décrit ci-dessus réside dans le fait que le faisceau 21 obtenu en sortie de la cellule 1 présente une puissance importante quelle que soit la valeur de l'angle de déviation qui lui a été imposé, tout en gardant les qualités intrinsèques du faisceau incident pilote 2, étant donné que seule la puissance du faisceau de pompe 10 est transmise au This configuration makes it possible to transfer the energy from the pump beam 10 to the pilot beam 2, provided, however, that these beams and the interaction geometry fulfill the energy density conditions enabling the threshold of the Brillouin effect to be exceeded. It is thus possible to obtain an amplification of the pilot beam of several tens of dB, if the frequencies of the two beams are shifted relative to each other by an intrinsic quantity to the interaction medium, of the order of a few hundred MHz for a gaseous medium and a few GHz for a liquid medium. However, this difference between the frequencies of the two beams is achieved by the induced Doppler shift on the beam output of the acousto-optic modulator, which is one of the advantages of the present invention. Another essential advantage of the deflection device described above lies in the fact that the beam 21 obtained at the output of the cell 1 has a large power regardless of the value of the deflection angle that has been imposed on it, while keeping the intrinsic qualities of the pilot incident beam 2, since only the power of the pump beam 10 is transmitted to the

faisceau pilote.pilot beam.

La figure 2 représente une autre application d'une cellule de déflexion 40 selon l'invention, dans laquelle il est utilisé un seul générateur laser 41 délivrant en sortie un faisceau 42 de forte puissance, mais donnant malgré tout un faisceau 43 dévié ayant toutes FIG. 2 represents another application of a deflection cell 40 according to the invention, in which a single laser generator 41 is used delivering an output 42 of high power at the output, but nevertheless giving a deflected beam 43 having all

les qualités mentionnées ci-avant. the qualities mentioned above.

Dans ce mode d'application, le déflecteur de type acousto- In this mode of application, the acoustical-type deflector

optique 44 reçoit, sur son entrée 45, le faisceau de forte puissance 42 émis par le générateur 41 et en dévie une partie 48. Bien entendu, la puissance du faisceau incident 42 sera déterminée pour que l'élément constitutif essentiel du déflecteur acousto-optique ne soit optical 44 receives, on its input 45, the high power beam 42 emitted by the generator 41 and deflects a portion 48. Of course, the power of the incident beam 42 will be determined so that the essential constituent element of the acousto-optical deflector is not

pas détérioré.not deteriorated.

Ce déflecteur 44 donne à sa sortie 46 deux faisceaux, un faisceau transmis non dévié de forte puissance 47 et un faisceau dévié 48 de faible puissance qui est dirigé vers l'entrée 49 d'une enveloppe This deflector 44 gives at its output 46 two beams, a transmitted non-deflected beam of high power 47 and a deflected beam 48 of low power which is directed to the inlet 49 of an envelope

telle que décrite ci-avant en regard de la figure 1, référencée 11. as described above with reference to FIG. 1, referenced 11.

Le faisceau 47 de forte puissance non dévié est, lui, repris par des miroirs de renvoi tels que les miroirs de conjugaison 51, 52, pour qu'il puisse pénétrer par la fengtre de sortie 53 de l'enveloppe et former le faisceau de pompe 54 tel que défini ci-avant sous la The non-deflected high power beam 47 is itself taken up by reflecting mirrors such as the conjugation mirrors 51, 52, so that it can penetrate through the outlet fengtre 53 of the envelope and form the pump beam. 54 as defined above under

référence 10 sur la figure 1.reference 10 in FIG.

La cellule 40 présente les mimes avantages que ceux qui ont été mentionnés pour la cellule 1 décrite en regard de la figure 1, et qui ne seront pas rappelés ici. Elle présente en outre, par rapport au dispositif précédent, un avantage supplémentaire non négligeable: celui de limiter le nombre des moyens pour l'élaboration des faisceaux The cell 40 has the same advantages as those mentioned for the cell 1 described with reference to FIG. 1, and which will not be recalled here. It also has, compared to the previous device, a significant additional advantage: that of limiting the number of means for the development of the beams

incident et de pompe à un seul générateur laser. - incident and pump to a single laser generator. -

R E V E NDICATIONSR E V E NDICATIONS

1. Cellule de déflexion (1,40) pour faisceau laser, caractérisée par le fait qu'elle comporte: des moyens (6,44) pour dévier un faisceau laser incident (2,48) de faible puissance, et des moyens (7,50) pour faire coopérer, dans un milieu non-linéaire (11) de diffusion Brillouin, le faisceau incident de faible puissance dévié (9,48), avec un faisceau laser de pompe (10,54) 1. Deflection cell (1,40) for a laser beam, characterized in that it comprises: means (6,44) for deflecting an incident laser beam (2,48) of low power, and means (7,44) for , 50) for cooperating, in a non-linear Brillouin scattering medium (11), the incident low-power incident beam (9.48) with a pump laser beam (10.54).

de forte puissance formant avec ledit faisceau dévié un angle non nul. high power forming with said deflected beam a non-zero angle.

2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les moyens (6) pour dévier le faisceau laser incident sont 2. Cell according to claim 1, characterized in that the means (6) for deflecting the incident laser beam are

constitués par un déflecteur du type "acousto-optique". constituted by a baffle of the "acousto-optic" type.

3. Cellule selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit déflecteur est constitué par un cristal à base de Niobate de 3. Cell according to claim 2, characterized in that said deflector is constituted by a Niobate-based crystal of

Lithium (LiNbO 3) ou d'oxyde Tellure (TeO). Lithium (LiNbO 3) or tellurium oxide (TeO).

4. Cellule selon l'une des revendications précédentes, 4. Cell according to one of the preceding claims,

caractérisée par le fait que ledit milieu non linéaire (11) est constitué d'un gaz tel que du Méthane (CH), du Xénon, de l'Hexafluorure de Soufre (SF), ou d'un liquide tel que du Sulfure characterized by the fact that said non-linear medium (11) consists of a gas such as methane (CH), Xenon, Sulfur Hexafluoride (SF), or a liquid such as sulphide

de Carbone (CS), de l'Acétone.of Carbon (CS), Acetone.

5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée par le fait que lesdits moyens (7) pour faire coopérer le faisceau dévié (9), avec un faisceau de pompe (10) de haute puissance faisant avec le faisceau dévié (9) un angle non nul dans le milieu non linéaire (11) comportent une enveloppe étanche (27,50) comportant, sur les chemins optiques possibles des faisceaux dévié (9, 48) et de pompe (10,54), deux fenêtres (28,29-49,53) optiquement transparentes aux longueurs d'onde 5. Cell according to claim 4, characterized in that said means (7) for cooperating the deflected beam (9) with a pump beam (10) of high power making with the deflected beam (9) an angle not in the nonlinear medium (11) comprise a sealed envelope (27,50) comprising, on the possible optical paths of the deflected (9, 48) and pump (10,54) beams, two windows (28,29-49 , 53) optically transparent at wavelengths

des deux faisceaux.two beams.

6. Cellule selon l'une des revendications précédentes, 6. Cell according to one of the preceding claims,

caractérisée par le fait que ledit faisceau de pompe (10) est fourni par un amplificateur laser (12) dit "à double passage", et pour lequel le faisceau laser i amplifier est celui émis par un générateur laser characterized in that said pump beam (10) is provided by a laser amplifier (12) called "double pass", and for which the laser beam i amplify is that emitted by a laser generator

pilote (3).pilot (3).

7. Cellule selon la revendication 6, caractérisée par le fait que ledit laser pilote (3) est couplé à l'entrée de l'amplificateur (12) par une lame semi-rifléchissante (30), l'amplificateur laser (12) comprenant, sur un axe optique, au moins un milieu amplificateur laser (18), une lame quart d'onde (19) et un miroir réfléchissant (31), ledit amplificateur laser (12) comportant en outre un séparateur de polarisation (20) disposé entre la lame semi-réfléchissante et le 7. Cell according to claim 6, characterized in that said pilot laser (3) is coupled to the input of the amplifier (12) by a semi-rifling blade (30), the laser amplifier (12) comprising on an optical axis, at least one laser amplifying medium (18), a quarter-wave plate (19) and a reflecting mirror (31), said laser amplifier (12) further comprising a polarization splitter (20) disposed between the semi-reflective blade and the

milieu amplificateur laser.laser amplifier medium.

8. Cellule selon l'une des revendications 2 i 5, caractérisée 8. Cell according to one of claims 2 to 5, characterized

par le fait que ledit faisceau de pompe (54) et le faisceau incident (48) sont délivrés par un seul générateur laser (41) délivrant en sortie un faisceau (42) de forte puissance dirigé sur ledit déflecteur de type acousto-optique (44), ledit déflecteur en déviant une partie (48) constituant le faisceau pilote incident, le faisceau transmis non in that said pump beam (54) and the incident beam (48) are delivered by a single laser generator (41) outputting a high power beam (42) directed at said acousto-optical deflector (44). ), said deflector by deflecting a portion (48) constituting the incident pilot beam, the non-transmitted beam

dévié de forte puissance (47) constituant le faisceau de pompe (54). high power deflection (47) constituting the pump beam (54).